计算机LED扩散板用聚碳酸酯复合材料的制备及性能研究

Preparation and Properties Study of Polycarbonate Composites for Computerized LED Diffusion Panels

摘要

针对计算机发光二极管（LED）扩散板对光学性能和力学性能要求较高的问题，研究制备一种基于聚碳酸酯（PC）的复合材料，并引入聚苯乙烯（PS）作为光扩散剂以优化其性能。通过调控PS微球的粒径，制备3~20 μm的光扩散颗粒，并采用熔融共混法将其引入PC基体中，系统研究粒径对复合材料光学与力学性能的影响。结果表明：粒径为3~5 μm的PS微球分散性好，与PC界面结合紧密，可显著提升材料透光率。不同粒径PS微球对透光率与雾度表现出相反调控趋势，其中粒径为3~5 μm的样品在透光率（92.6%）与雾度（约80%）间实现良好平衡，同时保持优异的力学强度，在综合性能上表现最优。此外，3~5 μm的复合材料样品在计算机LED扩散板的实际应用中表现出良好的均匀光扩散效果和稳定的耐用性，充分满足相关应用需求。研究结果为LED扩散板用PC复合材料的开发提供新的优化路径和数据支持。

Abstract

Aiming at the high requirements of optical and mechanical properties for computer light emitting diode (LED) diffusion panels, a composite based on polycarbonate (PC) was prepared, and polystyrene (PS) was introduced as a light diffuser to optimize its performance. Firstly, 3~20 μm light-diffusing particles were prepared by regulating the particle size of PS microspheres, and they were introduced into the PC matrix by melt blending method. The effects of particle size on the optical and mechanical properties of the composites were systematically investigated. The results show that PS microspheres with particle size of 3~5 μm are well dispersed and tightly bonded with the PC interface, which can significantly enhance the light transmittance of the material. The PS microspheres with different particle sizes show opposite regulation trends for light transmittance and haze, in which the samples with particle sizes of 3~5 μm achieve a good balance between light transmittance (92.6%) and haze (about 80%), while maintaining excellent mechanical strength, which is optimal in terms of comprehensive performance. In addition, the 3~5 μm composite samples show good uniform light diffusion effect and stable durability in the practical application of computer LED diffusion panels, which fully meet the relevant application requirements. The results provide a new optimization path and data support for the development of PC composites for LED diffusion panels.

Graphical abstract

关键词

聚碳酸酯复合材料 / 光扩散 / 聚苯乙烯微球 / LED扩散板 / 力学性能优化

Key words

Polycarbonate composites / Light diffusion / Polystyrene microspheres / LED diffusion panels / Optimization of mechanical properties

发光二极管(LED)扩散板在显示与照明技术中的广泛应用对其光学性能与结构力学性能提出更高的要求^[1-3]。聚碳酸酯(PC)因其优异的光学透明性、热稳定性和韧性，正逐渐取代传统聚甲基丙烯酸甲酯，成为LED扩散板材料的重要候选^[4-6]。然而，纯PC材料在实际应用中仍存在光扩散能力不足、材料刚性与冲击性能之间难以兼顾等问题，限制其在高均匀性、高亮度LED系统中的深度推广^[7-9]。为此，研究人员普遍采用添加光扩散剂的方式对PC材料进行改性，其中有机类填料聚苯乙烯(PS)微球因具有出色的光学散射性以及与PC的良好相容性而受到广泛关注^[10-12]。PS微球的粒径是影响其在PC基体中分散行为及光学、力学协同性能的关键因素^[13-15]。已有研究表明，不同粒径的PS微球会显著影响复合材料的光散射效率与界面结合质量，但相关研究工作多存在实验设计复杂、变量过多、实际可控性差等问题，难以直接为工程应用提供简洁明确的优化路径^[16-18]。为此，本研究以PS微球粒径为单一变量，采用熔融共混工艺制备一系列PS-PC光扩散复合材料，系统探讨不同粒径微球对复合材料透光率、雾度、力学强度及微观形貌的影响，旨在揭示粒径调控在提升LED扩散板综合性能中的作用机制，并为其材料设计提供参考。

1 实验部分

1.1 主要原料

PC，分子量约为50 000 g/mol，杭州科技化工有限公司；PS微球，粒径范围3~20 μm，实验室采用乳液聚合法自制；热稳定剂，质量分数为99%，北京化学试剂厂；PS粉末，GPPS-525，山东化学有限公司。

1.2 仪器与设备

双螺杆挤出机，ZSK 26 Mc18，德国Coperion公司；熔融共混造粒机，ZS-30P，上海华东理工机械有限公司；拉伸试验机，3369，美国Instron公司；微机控制电液伺服压力试验机，YAW-3000N，北京环球仪器有限公司；冲击试验机，Z010，德国Zwick公司；数控电子拉力试验机，SL-300，北京时力试验设备有限公司；透光率测定仪，TL2000，意大利Liolab公司；雾度计，2410，德国BYK-Gardner公司；温控系统，EZ-Zone+，美国Watlow公司；螺杆温控装置，Smart Melt，美国Thermo Fisher公司；振动筛，AS200 Basic，德国Retsch公司；数字电子天平，XPR6，瑞士Mettler Toledo公司；扫描电子显微镜(SEM)，SU3500，日本Hitachi公司；维氏显微硬度计，HVS-1000，上海天平仪器有限公司。

1.3 样品制备

1.3.1 PS微球光扩散剂的制备

PS微球常被用作光扩散剂的合成原料，以提升PC材料的光学性能。在本研究中，光扩散剂采用乳液聚合法进行制备，通过调整反应条件(如乳化剂浓度、聚合温度和时间)来控制微球的粒径。在PS微球的制备过程中，均采用十二烷基苯磺酸钠(SDS)作为乳化剂，聚合反应温度设定为60 °C，反应时间为4 h，以确保聚合过程的稳定性与微球形貌的可控性。为获得不同粒径范围的PS微球，研究通过离心分级和筛分方式对乳液进行处理，分别获得3~5、5~7、7~10、10~12、12~15、15~20 μm共6种粒径区间的微球，离心转速统一设定为3 000 r/min。

1.3.2 复合材料的制备

采用熔融共混法将PC与PS微球混合，PS光扩散剂的加入可有效改善材料的光学性能，特别是提高其光扩散能力。研究将制备的不同粒径的PS微球分别引入PC基体中，形成6种光扩散复合材料，根据微球粒径分别命名为样品A1~A6，对应粒径分别为3~5、5~7、7~10、10~12、12~15、15~20 μm，所有样品的PS质量分数均保持为2%。熔融共混过程采用双螺杆挤出技术完成，设定的熔融温度区间为230~260 ℃，螺杆转速统一为120 r/min，以保证微球在PC基体中的均匀分散。共混物料挤出冷却后进行造粒，随后采用注塑成型工艺制备测试样条，注塑成型温度为200 ℃，保压时间为5 min，成型压力设为10 MPa。为了便于分析微球粒径对复合材料性能的单因素影响，上述参数设定必须确保各样品在结构和形貌上的一致性。

1.4 性能测试与表征

所有测试均在温度(23±1) ℃、相对湿度50%±5%的恒温恒湿实验室环境下进行。

光学性能测试：依据ASTM D1003—13，采用光学透过率与雾度测定仪对材料的透光率和雾度进行测试。光源波长设定为550 nm，样品厚度均为0.3 mm。透光率表征复合材料的透明性，而雾度则衡量其光散射能力，以量化PS对光学扩散效果的影响。

力学性能测试：力学性能测试涵盖抗拉强度、断裂伸长率和简支梁冲击强度，测试分别依据ASTM D638—10和ASTM D256—10进行。采用电子万能试验机测试抗拉强度，测试速率设定为5 mm/min；采用应变测量系统测试断裂伸长率；采用简支梁冲击试验机测试冲击强度。

SEM测试：采用扫描电子显微镜进行测试，测试电压为5 kV，放大倍数范围为500~5 000。

硬度测试：依据GB/T 4340.2—2012，采用维氏显微硬度计进行测试。测试载荷设定为100 g，加载时间为15 s。每组样品随机选取5个测试点，测量其维氏硬度，并计算平均值，表征复合材料微球区域与基体区域的硬度差异。

2 结果与讨论

2.1 复合材料的光学性能

2.1.1 透光率测试结果

图1为不同粒径PS微球对复合材料透光率的影响。从图1可以看出，随着PS微球粒径的增大，复合材料的透光率呈现逐渐下降的趋势。具体而言，粒径较小的PS微球(如A1和A2)能够保持较高的透光率，尤其在波长较短的区域，透光率维持在90%以上。而粒径较大的PS微球(如A5和A6)则表现出较低的透光率，特别是在波长较长的区域，透光率显著下降。在波长为550 nm附近，样品A1的透光率最高，达到92.6%。随着粒径的增加，透光率逐步降低，其中A6的透光率最低。这主要是因为粒径较大的微球会增加光散射，导致透过材料的光量减少，表现为透光率的下降。此外，随着波长的增加，所有样品的透光率趋于下降，这与光散射效应的增强及材料的吸光特性相关^[19-21]。

2.1.2 雾度测试结果

图2为不同粒径PS微球对复合材料雾度的影响。从图2可以看出，随着PS微球粒径的增大，复合材料的雾度逐渐提高。具体而言，粒径较小的PS微球(如A1和A2)表现出较低的雾度，而粒径较大的PS微球(如A5和A6)则表现出较高的雾度，尤其在波长较长时，雾度显著增加。随着PS微球粒径的增大，复合材料的雾度逐渐上升。具体而言，粒径较小的PS微球(如A1和A2)的雾度较低，尤其在波长较短时，雾度保持在较低水平。而粒径较大的PS微球(如A5和A6)则表现出显著较高的雾度，尤其是在波长较长的范围内，雾度显著提高。在波长为450 nm时，样品A1的雾度最低，约为78.1%，而样品A6的雾度最高，达到98.2%。这表明较大粒径的PS微球能够显著增加光散射效果，从而提高材料雾度，增强光扩散能力。以上结果表明，粒径对复合材料的雾度有重要影响，较大粒径的PS微球能够显著提升材料的光散射效果，使其更适合对光扩散要求较高的应用场景，例如LED扩散板^[22-24]。虽然较大粒径的微球(如A6)可获得更高雾度(98.2%)，但其透光率会显著下降，这不利于光输出效率；而较小粒径微球(如A1)虽然雾度略低，但其在透光率与雾度间实现了最佳平衡，因此成为本研究中光学性能最优的样品。LED扩散板应用所需的“高亮度+柔光均匀”特性，要求材料在透明度和散射性之间达到协调优化，而非追求单一极值。

2.2 复合材料的力学性能

2.2.1 复合材料冲击可视化测试结果

为了研究不同粒径PS微球对复合材料在冲击载荷下的力学性能，进行冲击测试，并通过扫描电子显微镜观察复合材料的断裂形貌。图3为复合材料冲击断面的SEM照片。从图3可以看出，随着PS微球粒径的增加，复合材料的断裂形态发生明显变化。含较小粒径的PS微球的复合材料(如A1和A2)表现出较为均匀的分布，断裂表面较为平滑，而含较大粒径PS微球的复合材料(如A5和A6)则表现出明显的裂纹扩展和微观破裂现象，表面出现更多的裂纹和拉裂结构。这表明粒径较大的微球对材料的断裂行为具有显著影响，可能会降低材料的冲击韧性^[25]。

2.2.2 复合材料力学性能测试结果

为进一步研究不同粒径PS微球对复合材料力学性能的影响，采用电子万能试验机测试样品的抗拉强度、断裂伸长率和简支梁冲击强度。表1为不同粒径PS微球对复合材料力学性能的影响。从表1可以看出，在23 ℃、5 mm/min条件下，A1抗拉强度最高为65.37 MPa，相比A4的50.93 MPa提升28.35%，在50 ℃测试时仍优于其他样品。A1的断裂伸长率最高为88.25%，相比A4提升23.36%，这表明小粒径微球能够减少微观裂纹，提高韧性，在50 ℃、10 mm/min条件下仍保持较高值。冲击强度方面，A1最高为7.92 kJ/m²，相比A4提升34.47%，在50 ℃、10 mm/min条件下仍达6.98 kJ/m²，耐冲击性较好。与A1相比，A5和A6的力学性能有所下降。A5的抗拉强度为47.81 MPa，相较A1降低27%，而A6的抗拉强度为45.67 MPa，进一步降低。A5的断裂伸长率为60.82%，相比A1降低31%，而A6的断裂伸长率为58.12%，表现出更低的延展性。冲击强度方面，A5为4.92 kJ/m²，A6为4.35 kJ/m²，均低于A1，尤其在50 ℃、10 mm/min条件下，A6的冲击强度仅为3.69 kJ/m²，显示出较差的抗冲击性能。综合来看，A1在不同测试条件下均表现最佳，表明3~5 μm PS微球可提升光扩散性能且保持优异力学性能，适用于LED扩散板^[26-28]。

2.3 复合材料的微观硬度分析

表2为不同粒径PS微球对复合材料微观硬度的影响。从表2可以看出，随着PS微球粒径的增大，微球硬度逐渐降低。A1样品的微球硬度为170.7，而A6样品的微球硬度为145.4，表明较小粒径的PS微球在硬度上更为突出。所有样品的基体硬度相对较为稳定，硬度约为150.8。值得注意的是，A1样品微球与基体之间的界面硬度差异最大，达到10.5，表明较小粒径的微球与基体之间的结合性较好，硬度差异较大。随着粒径的增大，界面硬度差异逐渐减小，A5和A6样品的界面硬度差异分别为5.7和4.8，表明较大粒径的微球与基体的结合性较差，导致硬度差异较小。上述结果表明，较小粒径的PS微球不仅能够增强复合材料的硬度，还能够改善微球与基体的结合强度，而较大粒径的微球则可能降低材料的整体硬度和界面结合性^[29-31]。

3 结论

研究采用熔融共混法制备不同粒径PS微球增强的PC光扩散复合材料，系统分析粒径变化对复合材料光学性能、力学性能及微观结构的影响。结果表明：在光学性能方面，3~5 μm粒径的PS微球可显著提升复合材料的透光率，最高达92.6%，雾度在80%左右，能够在保证高透光性能的同时实现均匀光扩散。力学性能测试结果显示，小粒径微球能够改善复合材料的界面结合与应力传递效率，A1样品抗拉强度最高达65.37 MPa，冲击强度达7.92 kJ/m²，明显优于大粒径样品。SEM与显微硬度测试进一步验证了粒径对复合材料微观结构和界面力学的影响，A1样品具有均匀分散、界面结合良好、硬度差异显著等特征。综合结果说明，3~5 μm粒径的PS微球更适合作为LED扩散板PC基体的光扩散增强剂，用其制备的复合材料在透光率和雾度之间实现了良好的协同优化，能够满足LED扩散板在高亮度输出与均匀柔光方面的综合需求。未来，可进一步考察粒径分布对性能的协同调控机制以及复合材料在长期老化环境下的应用稳定性。

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